[SI-LIST] Re: Skin effect on ground plane?

  • From: Doug Brooks <dbrooks9@xxxxxxxxxxxxxxx>
  • To: shlepnev@xxxxxxxxxxxxx, 'SI' <si-list@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Mon, 9 Dec 2019 12:19:51 -0800

Yuriy

OK  Upon closer look at your demo-video, I see what you are saying. 
However I am not sure I agree about something.

Given a trace, without an underlying plane, as the frequency increases, 
the current density is higher around the surfaces (top, bottom and 
sides) than it is in the middle of the trace. Absent any external 
influence, the current density decays exponentially from a surface to 
the centerline of the trace.  In general, the current density pattern 
would be symmetrical around the trace (top to bottom, side to side).

Now, bring a plane adjacent to the trace. This introduces an effect 
typically called a proximity or a ground effect. The opposite sign 
attraction causes some of the current flowing on the top (far) surface 
to migrate to the bottom (close) surface. So the current density shifts 
a little --- higher on the bottom surface, not as high on the top 
surface, but still smallest along the middle or centerline of the trace. 
The mutual inductance effect that causes the skin effect in the first 
place dominates the opposite sign attraction of the proximity effect, so 
the current is still smallest at the centerline.

All of this is true, at any frequency.

It seems to me your simulation at around 2:45 starts to support that, on 
both the trace and the plane.

Do you agree with me so far?

If so, why is it that "current density is not lower in the middle of the 
plane."

Doug


Yuriy Shlepnev wrote:

Hi Doug,

The current density is not lower in the middle of the plane - it is just 
visual impression. Smaller number of arrows is used in the middle of the 
metal layer and it may create impression that the density values are lower in 
the middle (same for power flow densities). Each arrow and color presents the 
Current Density value in A/m^2 at a particular location within the metal. 
Density of the arrows does not correlate with the current density (see more 
at webinar #7 at https://www.simberian.com/Webinars.php).
  
The value of the current density is actually lower on the opposite side of 
planes and gradually decreases from one side to another - it is obvious on 
the color or blanket plots shown at 
https://www.simberian.com/AppNotes/PlaneCurrentDensity.gif
It would be different if trace is at the edge of the plane or near a cut-out 
in the plane. You will see current higher at the edges and on the opposite 
side of the plane - I think I visualized it at some demos.

Best regards,
Yuriy

-----Original Message-----
From: Doug Brooks [mailto:dbrooks9@xxxxxxxxxxxxxxx]
Sent: Sunday, December 8, 2019 12:59 PM
To: shlepnev@xxxxxxxxxxxxx; 'SI'
Subject: Re: [SI-LIST] Skin effect on ground plane?

Hi Yuriy

Your simulation is exactly what I was looking for. But I have one question.

You show that at moderate frequencies there is current density on both
the top and bottom surfaces of the plane, with a lower current density
down the centerline of the plane. But at very high frequencies the
current density only exists on the top surface of the plane (closest to
the trace) with effectively no current density on the bottom surface.
What causes the difference in the two conditions, and why?

Thanks

Doug




Yuriy Shlepnev wrote:
Hi Doug,

Yes, there is proximity as well as skin effects on the planes - the area 
where signal power flow is shrinking with the frequency and current flowing 
in thinner and thinner surface layer (result of absorption by the metal). 
And all signal power is in dielectric and air! :)
See illustrations for microstrips at 
https://www.simberian.com/ScreenCasts.php?id=38 and in some other ;
demo-videos at https://www.simberian.com/ScreenCasts.php?view=table or at ;
Simbeor channel at https://www.youtube.com/user/simbeor/videos

Best regards,
Yuriy

-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx [mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On ;
Behalf Of Doug Brooks
Sent: Friday, December 6, 2019 10:32 AM
To: SI
Subject: [SI-LIST] Skin effect on ground plane?

We all know what the skin effect is on a trace. And we all know the
return signal path is on the plane directly under the trace.
The question is, is there a corresponding skin effect on the ground plane?

Doug Brooks




-- 
*************************************************************
See Doug's latest books, available on Amazon. "PCB Trace and
Via Currents and temperatures; The Complete Analysis,
2nd Edition." and "PCB Trace Current/Temperature Curves,
0.25 Oz. to 5.0 Oz., The Complete Set."

------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:     
                //www.freelists.org/archives/si-list
 
Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu
  

Other related posts: